CN110940411A - 一种啁啾光栅振动传感器及其检测*** - Google Patents
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Abstract
一种啁啾光栅振动传感器及其检测***，传感器包括传输光纤（1）、传感器外壳（5）、细钢管（4）、2个啁啾光纤光栅（7），传感器外壳（5）中设置有中空的腔体（8），腔体（8）中充满阻尼液（9），且腔体（8）中设置有质量块（3），细钢管（4）穿过质量块（3），传输光纤（1）穿过细钢管（4），2个啁啾光纤光栅（7）形成1对啁啾光栅对，2个啁啾光纤光栅（7）以质量块（3）为中心对称刻置在传输光纤（1）上；检测***包括宽带光源、光耦合器、光纤光栅振动传感器组（10）、波分复用器、光电探测器阵列和信号采集处理器。增强了***的检测能力，能够实现对多台机械装备振动状态的同步检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种振动传感器，更具体的说涉及一种啁啾光栅振动传感器及其检测***，属于旋转机械状态监测和光纤传感技术领域。
背景技术
振动是一切运动物体的固有特性，振动信号中包含着丰富的物体状态信息；因此，振动信号检测技术是了解和把握物体运动状态的基础和关键技术之一。在机械装备的检测和诊断中，振动检测技术发挥着重要作用；可以说，振动检测方法是机械装备状态检测和故障诊断中最有发展前景的方法之一。
在机械装备的振动检测中，目前使用较为广泛的是以电磁类传感器为主的检测方法，如哈尔滨工业大学开发了具有代表性的机械状态监测与故障诊断***—MMMD***；北京化工大学的高金吉院士团队监测了5700多套机泵，建立了设备远程监测网和基于SOA架构的维修和安全保障信息化智能化平台；美国的本特利公司开发的电涡流式位移振动传感器在机械设备监测领域得到了广泛应用。但是，对于特殊环境，如高温、高压、易燃、易爆等危险场合下的机械装备检测，上述检测仪器和方法则难以胜任。
由于光纤传感技术具有无电检测、本征安全的特点，使其成为危险检测领域中一种新的重要检测手段。对于机械装备振动信号的光纤传感检测，光纤传感器及其信号解调方法是关键；机械装备的振动检测对光纤传感器要求频响高、检测范围大、抗环境干扰能力强，然而现有的光纤振动传感器几乎很难同时满足上述要求。中国实用新型专利《一种新型的光纤光栅加速度传感器》（申请号：200720300082.7）提出了一种推挽式结构的光纤光栅加速度传感器针对机械等高频振动检测，该光纤光栅加速度传感器具有较高的谐振频率，能自动补偿环境温度变化的影响；但检测加速度最大仅为4g，难以满足高频、大振动信号的检测需求。另外，在高频振动信号解调方面，目前常用的方法是基于边沿滤波的光强解调法，其利用光纤光栅反射谱边沿近似线性的特点让两个波长近似的光栅在边沿区域形成匹配，将振动信号引起的波长变化近似线性地转换成光强，通过检测光强大小来测定振动信号的频率和幅值；该方法具有解调速度快的优点，但其检测能力有限，***检测仪表的单通道仅能解调一个振动传感信号，难以实现对多台机械装备、多个振动测点的同步检测。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的上述问题，提供一种啁啾光栅振动传感器及其检测***。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种啁啾光栅振动传感器，包括传输光纤、传感器外壳、细钢管、2个啁啾光纤光栅，所述的传感器外壳底部设置有传感器支座，传感器外壳顶部设置有端盖，传感器外壳中设置有中空的腔体，所述的腔体中充满阻尼液，且腔体中设置有质量块，所述的细钢管穿过质量块，所述的传输光纤穿过细钢管，所述的2个啁啾光纤光栅形成1对啁啾光栅对，2个啁啾光纤光栅以质量块为中心对称刻置在传输光纤上。
所述的2个啁啾光纤光栅的反射谱3dB带宽均大于2nm，2个啁啾光纤光栅之间中心波长差小于0.5nm。
所述腔体中的阻尼液的阻尼系数为0.1。
包括宽带光源、光耦合器、光纤光栅振动传感器组、波分复用器、光电探测器阵列和信号采集处理器，所述的啁啾光栅振动传感器组由n干个啁啾光栅振动传感器首尾依次连接到一路光纤上构成，所述的宽带光源与光耦合器连接，所述的光耦合器分别与光纤光栅振动传感器组和波分复用器连接，所述的波分复用器包含一个输入端和m个输出端，波分复用器输出m个位于不同波段的光，所述光电探测器阵列的输入端与波分复用器的输出端一一对应，波分复用器的m个输出端分别与对应的光电探测器阵列的输入端连接，所述光电探测器阵列的输出信号与光纤光栅振动传感器信号一一对应，光电探测器阵列的输出端与信号采集处理器输入端连接，上述m≥n。。
与现有技术相比较，本发明的有益效果是：
本发明采用啁啾光栅作为传感元件，扩大了传感光栅的线性匹配区间，能显著提高光纤光栅振动传感器的动态检测范围；采用差动式结构设计，不仅提高了振动检测灵敏度，也避免了环境温度变化对测量的影响；采用波分复用器，可使多个光纤光栅振动传感器复用到一根光纤上，又在检测时使各个传感器的信号分离并进行独立检测；在解调光路中增加波分复用器后，光纤光栅解调仪表单通道携带传感器的数量得到了显著提高，增强了***的检测能力，能够实现对多台机械装备振动状态的同步检测。且降低了光纤光栅振动传感器的制作难度及***的综合制造成本，适合在工程实际中推广应用。
附图说明
图1是本发明中光纤光栅振动传感器结构示意图。
图2是本发明中传感器检测***结构示意图。
图3是本发明中实施例的振动信号检测结果分析图。
图中：传输光纤1，端盖2，质量块3，细钢管4，传感器外壳5，传感器支座6，啁啾光纤光栅7，腔体8，阻尼液9，光纤光栅振动传感器组10。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
参见图1，一种啁啾光栅振动传感器，包括传输光纤1、传感器外壳5、细钢管4、2个啁啾光纤光栅7。所述的传感器外壳5底部设置有传感器支座6，传感器外壳5顶部设置有端盖2，传感器外壳5中设置有中空的腔体8，所述的腔体8中充满阻尼液9，且腔体8中设置有质量块3。所述的细钢管4穿过质量块3中心位置并固定，所述的传输光纤1穿过细钢管4，所述的2个啁啾光纤光栅7形成1对啁啾光栅对，2个啁啾光纤光栅7以质量块3为中心对称刻置在传输光纤1上形成一种推挽式结构。
参见图1，所述的2个啁啾光纤光栅7的反射谱3dB带宽均大于2nm，2个啁啾光纤光栅7之间中心波长差小于0.5nm；因此使得其反射光谱处于重叠状态，即匹配状态。
参见图1，所述腔体8中的阻尼液9的阻尼系数为0.1。
参见图2，一种啁啾光栅振动传感器组，其由若干个啁啾光栅振动传感器首尾依次连接到一路光纤上构成，实现波分复用组网。
参见图2，一种啁啾光栅振动传感器检测***，包括宽带光源、光耦合器、光纤光栅振动传感器组10、波分复用器、光电探测器阵列和信号采集处理器。所述的宽带光源与光耦合器连接，所述的光耦合器分别与光纤光栅振动传感器组10和波分复用器连接。光纤光栅振动传感器组10中每个啁啾光栅振动传感器的反射光谱均在宽带光源光谱内，每个啁啾光栅振动传感器的反射谱之间保持一定的间隔（波长间隔大于2nm），可避免不同啁啾光栅振动传感器的信号发生相互窜扰。所述的波分复用器包含一个输入端和m个输出端，波分复用器是根据实际需要定制的，波分复用器输出m个位于不同波段的光，光波带宽大于光纤光栅振动传感器组10反射谱的最大带宽，能将多种具有不同中心波长的光分离，实现对不同传感器信号的独立检测。所述的光电探测器阵列实为光电集成模块，光电探测器阵列的输入端与波分复用器的输出端一一对应，光电探测器阵列由m个光电探测器构成，波分复用器的m个输出端分别与对应的光电探测器阵列的输入端连接，因此波分复用器的每个输出端连接一个光电探测器。所述光电探测器阵列的输出信号与光纤光栅振动传感器信号一一对应，光电探测器阵列的输出端与信号采集处理器输入端连接，上述m≥n。工作时，宽带光源发出的光经过光耦合器进入光纤光栅振动传感器组10，光纤光栅振动传感器组10返回的光信号经过光耦合器进入波分复用器，波分复用器的输出端通过光电探测器阵列将光信号转换为电信号再输入给信号采集处理器。
实施例一：
参见图3，以水泵为例，将4个啁啾光栅振动传感器探头安装在水泵机组的非联轴器侧的轴承座（竖向、水平向和轴向各安装1个）上和同侧的1个地脚螺栓上，且将4个啁啾光栅振动传感器的首尾依次连接、复用到一根光纤上；由于水泵机组在现场，而检测设备等放置在操作室，还需200米的传输光缆，将信号传输到操作室。本例中宽带光源的带宽为1280～1325nm、光功率为18μw；波分复用器为1×4型结构，有4个可用波段，其中心波长分别为1290nm、1300nm、1310nm和1320nm，每波段的波长范围均为5nm、波段间隔5nm。宽带光源发出的光经3dB光耦合器后照射到光纤光栅振动传感器组10中，满足条件的光被反射后再经3dB光耦合器进入波分复用器中，不同波长的光从波分复用器对应输出端输出，输出光进入光电探测器阵列后被转换成相应的电信号，再送入计算机采集处理***中。
本啁啾光栅振动传感器检测***的检测原理为：当光纤光栅振动传感器随着水泵一起振动时，传感光栅的反射谱发生移动，反射谱的包络面积发生周期性改变，即啁啾光栅振动传感器的输出光强亦产生周期性变化，其变化频率等于水泵机组的振动频率，变化幅度间接反映了水泵机组的振幅大小；光强信号通过检测装置转化成电信号，并送入计算机中进行采集和处理，直接显示水泵机组的振动参量。本实施例中水泵机组的额定转速为1200转/min、转频为20Hz，设置***的采集频率为2560 Hz.。当水泵机组工作时，4个光纤光栅振动传感器都有响应，具体如图3所示，其时域响应相似，但通过频域分析后发现，不同频率成分的幅值存在差异。可以看出，轴承座的振动加速度谱是以基频为主的多阶谐波分量的合成，较好地反映了水泵机组工作状态下的状态特征；最大加速度有效值为18.45ms-2，与手持式测量仪器获得结果基本一致；此实施例验证了本发明的可行性。
同时，根据实际需要，利用空分复用技术***可实现扩容，形成1、2、4、8、16等通道的检测***，提高了***的检测能力，满足多台机械装备（群）同时进行检测的需求，实现多台大型机械装备振动信号的远程、在线监测。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，上述结构都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种啁啾光栅振动传感器，其特征在于：包括传输光纤(1)、传感器外壳(5)、细钢管(4)、2个啁啾光纤光栅(7)，所述的传感器外壳(5)底部设置有传感器支座(6)，传感器外壳(5)顶部设置有端盖(2)，传感器外壳(5)中设置有中空的腔体(8)，所述的腔体(8)中充满阻尼液(9)，且腔体(8)中设置有质量块(3)，所述的细钢管(4)穿过质量块(3)，所述的传输光纤(1)穿过细钢管(4)，所述的2个啁啾光纤光栅(7)形成1对啁啾光栅对，2个啁啾光纤光栅(7)以质量块(3)为中心对称刻置在传输光纤(1)上。
2.根据权利要求1所述的一种啁啾光栅振动传感器，其特征在于：所述的2个啁啾光纤光栅(7)的反射谱3dB带宽均大于2nm，2个啁啾光纤光栅(7)之间中心波长差小于0.5nm。
3.根据权利要求1所述的一种啁啾光栅振动传感器，其特征在于：所述腔体(8)中的阻尼液(9)的阻尼系数为0.1。
4.一种啁啾光栅振动传感器检测***，其特征在于：包括宽带光源、光耦合器、光纤光栅振动传感器组(10)、波分复用器、光电探测器阵列和信号采集处理器，所述的啁啾光栅振动传感器组由n干个啁啾光栅振动传感器首尾依次连接到一路光纤上构成，所述的宽带光源与光耦合器连接，所述的光耦合器分别与光纤光栅振动传感器组(10)和波分复用器连接，所述的波分复用器包含一个输入端和m个输出端，波分复用器输出m个位于不同波段的光，所述光电探测器阵列的输入端与波分复用器的输出端一一对应，波分复用器的m个输出端分别与对应的光电探测器阵列的输入端连接，所述光电探测器阵列的输出信号与光纤光栅振动传感器信号一一对应，光电探测器阵列的输出端与信号采集处理器输入端连接，上述m≥n。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200331 |